Développement et application de nouveaux outils de simulation et d'analyse

Notre meilleur outil pour reconnaître et manipuler les objets complexes est le cerveau humain. Le projet SHAMAN (Système HAptique pour MAnipulation Nanoscopique) vise à mettre au point un système matériel et logiciel de réalité virtuelle permettant une manipulation et une exploration intuitive d'objets biologiques complexes à l'échelle moléculaire. SHAMAN devra constituer pour le chercheur une porte d'entrée dans l'espace théorique d'une simulation moléculaire du système qu'il étudie, en lui permettant l'utilisation de ses sens (vision, audition, toucher). Cette approche nous semble particulièrement adaptée pour étudier des changements conformationnels importants, tels qu'ils sont entre autres observés dans les moteurs moléculaires ou dans le cas du récepteur des lipoprotéines de faible densité (voir ci-dessus).

Le premier travail effectué a été la mise en place du matériel de réalité virtuelle et le développement d'un prototype de SHAMAN basé sur le logiciel “Ligand” développé au laboratoire. On y a ajouté un module graphique interactif impliquant le bras haptique, et dans la version actuelle il est possible de suivre visuellement les calculs effectués par “Ligand” en temps réel et d'y introduire une force.

Figure 1. Bras haptique interfacé avec un logiciel de modélisation moléculaire.

Pour que l'outil SHAMAN puisse être utilisé largement, nous le transformons actuellement en architecture modulaire qui faciliterait l'ajout de nouveaux modules de calcul. La partie concernant le développement logiciel fait appel à des connaissances informatiques très avancées et nous avons confié un premier travail à un stagiaire venant du domaine de la réalité virtuelle (Mastère spécialisé «Simulation et Réalité Virtuelle», Institut Image à Chalon-sur-Saône) en collaboration avec un laboratoire du CEA et de l'Université d'Orléans. Ces laboratoires partenaires sont des spécialistes de la visualisation interactive et de la réalité virtuelle.

Les simulations de DM sur les systèmes biologiques génèrent souvent un très grand nombre d'informations. Leur analyse représente un défi majeur. En collaboration avec le groupe du Prof. Sansom à Oxford nous explorons actuellement une approche faisant appel à des techniques de bases de données dans le cadre du projet BioSimGrid. D'une part BioSimGrid permet un accès direct aux données brutes de la simulation et à un ensemble d'analyses standardisées, et d'autre part la comparaison de plusieurs trajectoires de simulation est facilitée.

Dans ce contexte nous avons commencé à comparer plusieurs simulations de systèmes enzymatiques, avec une attention particulière pour la dynamique conformationnelle des sites actifs. Une autre comparaison possible est celle d'un grand ensemble de protéines membranaires sous forme de tonneaux béta, tous insérés dans une bicouche lipidique. Nous comptons également étudier certains aspects techniques de très près comme par exemple l'importance du traitement des interactions électrostatiques à longue distance. Localement nous avons également mis en place une base de données pour analyser les résultats des calculs d'énergie libre de type MMPBSA.

La visualisation graphique est un moyen puissant pour aborder l'analyse de systèmes complexes. Nous explorons des méthodes novatrices comme le rendu volumique ou la réduction des dimensions par projection pour analyser les simulations effectuées. Des analyses graphiques originales sont également développées comme par exemple le graphe de la structure secondaire prédominante d'une protéine introduit dans [[Baaden 2004]].